摘要：采用80℃濕熱養護的加速老化方法，通過力學性能和微觀分析研究摻合料對玻璃纖維增強硅酸鹽水泥(GRC)中玻璃纖維腐蝕的影響。研究表明，GRC力學性能的經時變化是砂漿強度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結果，隨著養護時間的延長，粉煤灰一方面使砂漿強度保持增長，另一方面抑制了玻璃纖維腐蝕，結果是玻璃纖維腐蝕減輕，GRC抗彎強度保持上升。玻璃纖維的輕微腐蝕會使其呈脆性破壞，而纖維間和周圍的水化產物形成也導致其失去增韌作用，因而用韌性的變化評價GRC的退化比用強度變化來評價更有效。

　　關鍵詞：建筑材料;濕熱養護;玻璃纖維增強水泥;摻合料;腐蝕;韌性;粉煤灰

　　建筑材料論文投稿刊物：《水泥技術》Cement Technology(雙月刊)1984年創刊，主要介紹國內外水泥工業科研、設計、建設和生產中先進實用的技術和裝備，尤其重視報導各種規模新型干法水泥生產線的先進技術，改造的成功經驗和途徑，始終站在行業技術的前沿。

　　0引言

　　玻璃纖維增強水泥(GRC)制品價格低、自重輕、阻燃性好、比強度較高，作為一種具有發展潛力的材料廣泛應用于建筑工程、市政工程、城市景觀、農用構件、水利工程構件等領域。近年來，玻璃纖維增強水泥(GRC)制品的長期耐久性受到關注。Dey等[1]提出一種利用彎曲荷載撓度數據模型來模擬GRC老化效應;Eiras等[2]采用非線性沖擊共振聲譜分析和超聲波兩種無損檢測技術對GRC老化進行監測;Alejandro等[3]認為凍融循環和干濕循環混合可較準確地模擬天氣變化條件對GRC力學性能影響。基于Arrhenius方程的熱水加速老化方法，可以得出加速老化與自然老化之間的經驗公式[4，5]，Litherland等[5]假設纖維腐蝕是主要的退化機理，可利用熱水加速老化的SIC法(Strandincement)預測GRC長期強度;南京玻纖院通過SIC法對一種耐堿玻璃纖維進行加速老化試驗，推算出試樣在80℃熱水中放置1d相當于在北京大氣中暴露4.2年[6];文獻[7]采用80℃熱水加速老化試驗研究耐堿玻璃纖維在道路用水泥砂漿中的腐蝕機理和性能變化。

　　堿性條件下玻璃纖維中的Si-O-Si鍵受羥基的侵蝕而易出現斷裂，硅氧骨架遭受氫氧根離子攻擊而破壞。水泥中加入活性摻合料，與Ca(OH)2等堿性物質發生反應，降低水泥基質堿度，進而抑制玻璃纖維腐蝕[8-10]，在65℃水熱老化條件下，GRC的退化速率比無摻合料GRC低一個數量級[11]。濕熱加速養護除影響玻璃纖維外，對水泥基質的性能也產生了顯著影響。僅從玻璃纖維腐蝕的角度研究GRC的老化存在一定的局限性。本文采用80℃濕熱加速老化的方式模擬長期使用環境，通過與無玻璃纖維的水泥基準樣對比，并分析玻璃纖維的腐蝕性、試樣抗彎強度和破壞方式來研究摻合料對GRC耐久性的影響。

　　1材料與實驗方法

　　1.1實驗材料

　　短切耐堿玻璃纖維，長度12mm，纖維單絲直徑15μm，單股線密度98tex，氧化鋯含量為16.7%，湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司產品;基準水泥，P·I42.5，山東魯城水泥有限公司產品;礦渣粉，S95，廣東韶鋼;粉煤灰，I級F類粉煤灰，市售;河砂，經2.36mm方孔篩過篩，市售;減水劑，聚羧酸系高性能減水劑，含消泡組分，中交第四航務工程局有限公司下屬材料公司產品。

　　1.2實驗方法

　　將水泥、砂、水加入攪拌機，攪拌約1min后加入短切玻璃纖維繼續攪拌約2min，澆注入試模制成10mm厚大板。自然養護7d后，將大板置于80℃濕熱環境中分別養護2、4、6、8d后取出。其中濕熱養護時間0d的試樣自然養護了28d。作為對比，每個配合比還制作一組試樣自然養護28d。對比試樣始終自然養護至28d。將大板切割成250mm×50mm×10mm的抗彎試件，置于通風良好的室內放置3d后，進行抗彎試驗。

　　2含摻合料玻璃纖維增強硅酸鹽水泥的配合比設計

　　GRC拌合物水膠比為0.36，砂膠比為1.00。采用內摻法加入玻璃纖維，替代等質量的砂，因為高摻量的纖維容易團簇，使制品空隙增大，引起GRC的強度和耐久性顯著降低[12]，所以固定玻璃纖維摻量為固體總質量的3.0%。摻合料取代水泥量為40%，所用摻合料有粉煤灰和礦渣。GRC拌合物加適量聚羧酸減水劑調整流動性，內含消泡組分以避免聚羧酸引入氣泡。

　　3結果與分析

　　3.1力學性能

　　隨著濕熱養護時間的延長，無摻合料的基準砂漿、摻粉煤灰和礦渣的基準砂漿在濕熱養護8d內抗彎強度都保持增長。各濕熱養護齡期，摻粉煤灰的基準砂漿強度略高于摻礦渣基準砂漿，但低于無摻合料基準砂漿。濕熱養護6d內，無摻合料GRC抗彎強度隨養護時間的延長提高，且各齡期GRC抗彎強度均高于同齡期基準砂漿。但濕熱養護到8d時，GRC抗彎強度顯著下降，低于同齡期基準砂漿。濕熱養護8d內，粉煤灰GRC和相應無玻璃纖維基準砂漿的抗彎強度與濕熱養護時間關系相近，抗彎強度均隨濕熱養護時間的延長而上升，各齡期粉煤灰GRC抗彎強度均高于同齡期基準砂漿，且兩條曲線近似平行。摻礦渣GRC抗彎強度和濕熱養護時間關系與摻粉煤灰GRC略有不同，濕熱養護6d內，隨著濕熱養護時間的增加，摻礦渣GRC抗彎強度增加，但增幅小于摻粉煤灰GRC。

　　濕熱養護8d時，摻礦渣GRC抗彎強度略有下降，摻礦渣GRC的抗彎強度相對于基準礦渣砂漿增幅僅為12.3%。同樣濕熱養護8d時，摻粉煤灰GRC的抗彎強度相對于基準粉煤灰砂漿增幅達19.8%;無摻合料GRC的抗彎強度相對于基準砂漿增幅為-18.0%。表明粉煤灰與礦渣均有抑制GRC中玻璃纖維腐蝕的效果，而粉煤灰對玻璃纖維腐蝕抑制效果優于礦渣。圖1所示無玻璃纖維情況下，各齡期含粉煤灰基準樣強度都高于含礦渣基準樣，表明粉煤灰的活性優于礦渣，與Ca(OH)2等堿性物質的結合能力更強，從而更好地抑制了玻璃纖維的腐蝕。

　　3.2微觀分析

　　濕熱養護0d(即自然養護28d)時，GRC中玻璃纖維表面光滑、無腐蝕。濕熱養護2d時，玻璃纖維表面出現大量腐蝕孔洞，并被腐蝕產物水化硅酸鈣包裹[13]。濕熱養護至6d以上時，腐蝕孔洞不斷變大、腐蝕深度顯著增加，且玻璃纖維表面出現顯著的腐蝕剝離。濕熱養護時間越長，GRC中玻璃纖維腐蝕越嚴重。僅在8d時因玻璃纖維出現深度腐蝕，GRC抗彎強度才開始大幅下降，可見濕熱養護加速了玻璃纖維的腐蝕，同時也提高了水泥基質的強度，GRC抗彎強度隨養護時間的變化是砂漿強度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結果。

　　不同濕熱養護齡期時摻粉煤灰GRC中典型玻璃纖維腐蝕情況。與無摻合料GRC相似，自然養護28d時，玻璃纖維表面沒有觀察到腐蝕。濕熱養護2d時，玻璃纖維表面可觀察到明顯的腐蝕孔洞，但沒有觀察到大量的腐蝕產物，腐蝕程度顯著低于濕熱養護2d的無摻合料GRC中玻璃纖維。濕熱養護至6d時，腐蝕孔洞變大，玻璃纖維局部表面出現大量腐蝕產物。濕熱養護至8d時，玻璃纖維表面腐蝕產物繼續增加，但未觀察到玻璃纖維表面大面積脫落。

　　各濕熱養護齡期時，摻粉煤灰GRC中的玻璃纖維腐蝕程度都顯著低于無摻合料GRC。這是由于高活性的粉煤灰與Ca(OH)2等堿性物質發生反應，降低了水泥基質的堿度，從而具有很好的抑制玻璃纖維腐蝕效果。盡管濕熱養護后摻粉煤灰GRC中玻璃纖維也出現了較嚴重腐蝕，但仍然能對抗彎強度有貢獻。濕熱養護8d時，摻粉煤灰GRC的抗彎強度仍大于同養護條件的基準砂漿，表明此時砂漿強度提高對GRC強度的貢獻仍超過玻璃纖維腐蝕對GRC強度的負面影響。一方面，粉煤灰抑制玻璃纖維腐蝕;另一方面，摻粉煤灰的砂漿強度保持長時間的增長，兩者共同作用的結果是摻粉煤灰GRC強度長期保持上升。

　　可見摻礦渣GRC中玻璃纖維的腐蝕程度比摻粉煤灰GRC更為嚴重。自然養護28d時，玻璃纖維表面沒有觀察到腐蝕。濕熱養護2d時，玻璃纖維表面已觀察到腐蝕物的剝離。濕熱養護6、8d時，GRC中玻璃纖維腐蝕繼續加劇，玻璃纖維因腐蝕脫落現象更加明顯，玻璃纖維周邊有大量水化產物聚集。各濕熱養護齡期時，摻礦渣GRC中玻璃纖維的腐蝕情況都比摻粉煤灰GRC中玻璃纖維腐蝕更為嚴重。SEM觀察進一步表明，活性較高的粉煤灰對玻璃纖維腐蝕抑制效果優于活性較低的礦渣。

　　3.3濕熱養護對GRC荷載-撓度曲線的影響

　　聚丙烯纖維增強水泥基材料在彎曲破壞時表現出了良好的韌性特征[14]，玻璃纖維增強聚合物(GFRP)片材粘貼在混凝土小型空心砌塊墻體表面可使其具有更高的受剪承載力、耗能能力和延性[15]。但是玻璃纖維對水泥砂漿的增韌效果并不顯著，自然養護28d和濕熱養護2d時摻不同摻合料GRC的彎曲荷載-撓度曲線，可見自然養護28d時，各種GRC的彎曲荷載-撓度曲線下降段均較為平緩，彎曲荷載達到峰值后隨著撓度的增加緩慢下降，此時玻璃纖維具有一定的增韌作用，GRC表現出韌性破壞。經濕熱養護2d后，無論是否有摻合料，GRC彎曲荷載-撓度曲線達到彎曲荷載峰值后均迅速下降至試件斷裂，GRC表現為脆性破壞。一方面是由于玻璃纖維表面出現腐蝕缺陷變脆，另一方，面纖維-水泥界面的致密化和纖維絲之間被水化產物填充從而降低了玻璃纖維的柔順性，導致纖維失去彈性而變脆[16，17]。

　　文獻[18]采用薄片巖相(TSP)和掃描電鏡(SEM)觀察25℃下老化10年的GRC樣品發現水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣在玻璃纖維間和周圍發生顯著致密化，樣品顯示出韌性的損失，而不是強度損失，與本文試驗結果相吻合。GRC制品韌性的喪失是其開裂并導致性能失效的關鍵因素，因而僅用強度變化反映玻璃纖維的腐蝕對GRC性能的影響是不合理的，玻璃纖維腐蝕對GRC韌性性能的影響是更加需要考慮的重要方面。

　　4結論

　　(1)GRC抗彎強度是砂漿強度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結果。濕熱養護6d之前砂漿強度增長的影響超過了玻璃纖維腐蝕引起不利作用，抗彎強度隨齡期增加而提高，其后當玻璃纖維腐蝕非常嚴重時GRC的抗彎強度開始下降。(2)加速老化試驗條件下，含活性摻合料的GRC中玻璃纖維腐蝕程度顯著低于無摻合料GRC，粉煤灰對玻璃纖維腐蝕抑制效果優于礦渣。

　　(3)一方面，活性摻合料抑制玻璃纖維腐蝕，另一方面，含活性摻合料的砂漿強度保持長時間的增長，兩者共同作用的結果是，在玻璃纖維腐蝕的情況下含活性摻合料GRC強度仍保持增長。(4)加速老化后，由于玻璃纖維的輕微腐蝕會使其呈脆性破壞，纖維間和周圍的水化產物形成又導致其失去增韌作用，GRC在抗彎強度提高的同時韌性下降。因而，用GRC韌性的變化評價GRC的老化比用強度變化來評價更為有效。

　　參考文獻：

　　[1]DeyV,MobasherB.Quantitativecharacterizationofacceleratedagingincementcompositesusingflexuralinverseanalysis[J].Cement&ConcreteComposites,2018,89(5):181-191.

　　[2]EirasJN,KunduT,BonillaM,etal.Nondestructivemonitoringofageingofalkaliresistantglassfiberreinforcedcement(GRC)[J].JournalofNondestructiveEvaluation,2013,32(3):300-314.